牢记注意事项,确保精确测量

胡灵芝

物理是一门以实验为基础的学科,在学习物理的过程中,要注重培养学生对物理实验的操作能力和对实验现象的观察能力。但在实际学习中,学生对实验仪器的使用及注意事项不是很重视,因而在实验过程中出现很多问题,引起较大的实验误差,甚至实验错误。本文主要讲的是初中物理实验中常用的刻度尺、天平、弹簧测力计等器材在使用的过程中要注意的问题。

一、刻度尺使用过程中要注意的问题

刻度尺是测量物体长度的工具,同学们所使用的刻度尺分度值一般为1 mm。用刻度尺测量长度是物理实验的基本技能,也是其他测量仪器正确读数的基础。

1. 正确使用刻度尺

使用时注意正确放置和正确读数。

正确放置的关键:尺边对齐被测对象,必须放正重合,不能歪斜;尺的刻面必须紧贴被测对象,不能“悬空”。

正确读数的关键:视线在终端刻度线的正前方,视线与刻面垂直,看清大格及小格数。

2. 正确记录测量结果

一般情况下应估读到最小分度值的下一位。如学生用的三角尺最小刻度是1 mm,用它测量长2 cm的长度,若正好对准在刻度线上时,正确记录应为2.00 cm,其中2.0 cm是尺面准确读出的数值(准确值),由于无估计读数,需在毫米的10分位上加“0”。

注意:记录测量结果时必须写上相应准确值、估计值、测量单位。

3. 正确认识误差

①误差产生的原因来自于测量仪器的准确程度、实验原理的局限性、环境与人为的主观因素等。因此,任何测量中的误差都是不可避免的,只能设法减小误差,不可能消除误差。误差与错误不同,错误是由于方法不当、人为主观因素(读错、记错等)造成的,是实验中必须避免的。

②减小误差的途径:选用准确度较高的测量仪器、采用科学的测量方法、熟练实验技能等。在一般实验中,减小误差的有效途径是取多次测量的平均值(这种方法对偶然误差的减小有效)。

还可以利用刻度尺先测量出长度,继而算出面积或体积。

例1 一块长方形的均匀铝箔,用天平和刻度尺能不能求出它的厚度?如果能,说出你的办法。

解析 用刻度尺可以间接测量出长方形均匀铝箔的面积S,用天平可以称出它的质量m。然后根据公式m=ρSh可得到h=,即可求出铝箔的厚度h。

例2 油漆工在漆地板前,需要估测出所用油的质量。请说出一种估测方法并说明依据。

解析 需要估测地板的面积以及刷油的厚度,从而估算出油的体积,再根据密度公式算出油的质量。

二、天平使用过程中要注意的问题

在实验室里,人们通常用天平来测各种物体的质量。根据测量精确程度的要求不同,实验室里通常有两种天平,一种是托盘天平,一种是物理天平。不管是托盘天平还是物理天平,每一架天平的铭牌上都标有最大称量和感量两个物理量。如一架托盘天平的铭牌上标有:“最大称量:500 g 感量:0.5 g”,则说明此天平能称量的最大质量为500 g,若称量超过500 g的物体的质量,就容易损坏天平;感量表示能使天平横梁发生摆动的最小质量——即此天平能精确测出的最小质量(天平的精确度)为0.5 g。托盘天平和物理天平的一个不同之处就是它们的精确度不一样,托盘天平的感量一般为0.1~1 g之间(托盘天平的感量往往由该天平游码标尺的最小刻度来决定),而物理天平则往往精确到几毫克到几十毫克之间(物理天平的感量由砝码盒中的最小砝码质量决定)。因此,物理天平要比托盘天平精确得多,现以托盘天平为例,谈谈如何正确使用天平。

1. 天平平衡调节

①将游码移到横梁标尺左端的零刻度处。

②调节平衡螺母,调节的方法是“左偏右移,右偏左移”,即指针指在横梁标尺中央红线的左边时,就将平衡螺母向右移;指在中央红线的右边时,就将平衡螺母向左移。指针指在横梁标尺中央红线处或在中央红线两边等幅摆动时,表明天平已经平衡。

注意:天平调平后,不得搬动,不得调换左右托盘,否则要重新调节平衡。

2. 称量时,要遵循“左物右码”的原则,即物体放在天平左边的托盘里,砝码放在天平右边的托盘里。在加减砝码时,先估计物体的质量,选择合适的大砝码,不够再加小一号的砝码,以此类推,当加至没有更小的砝码时,就向右慢慢移动游码,这相当于在右盘中加小砝码,直至天平横梁再次平衡。这时,物体的质量等于右盘中砝码的总质量和游码指示的示数之和。

注意:天平不能用来称量超过其测量范围的物体的质量,在进行多次测量时,每测量一次都要重新调节平衡。

例1 用天平能否测出墨水瓶的容积?如果能,说出你的办法。

解析 先称出空墨水瓶的质量m1,再称出墨水瓶中盛满水后的质量m2,由m2-m1求出水的质量,用公式V=求出水的体积,即可知道墨水瓶的容积。

例2 有一堆大头针约几百个,你能利用天平很快知道其数量吗?说出你的办法来。

解析 用天平称出10个大头针的质量,再求出1个大头针的平均质量。用天平称出这堆大头针的总质量,用总质量除以1个大头针的质量,即可求得这堆大头针的大约个数。

三、弹簧测力计使用过程中要注意的问题

1. 使用弹簧测力计之前,先要拉一拉测力计,检查弹簧是否靠在刻度盘上,观察弹簧伸长是否受阻,若弹簧受摩擦,测力计的示数将偏小。

2. 根据被测力的大小选择量程合适的弹簧测力计,不能超过其量程,否则会损坏测力计,选择量程过大的测力计也容易产生较大的测量误差。在量程合适的情况下,应选择最小分度值较小的弹簧测力计,测量结果更精确。

3. 使用前要检查弹簧测力计的指针是否在零刻度位置,如果没有指在零刻度位置就需要调零。调零的方法是通过移动指针并用手轻轻抖动挂钩,确保弹簧与外壳无摩擦,并用标准的砝码来检查示数是否准确。在示数准确无误后,方能使用。

4. 被测力的方向应与弹簧测力计的轴线方向一致。在使用测力计测力时,只有保证了被测力的方向与弹簧的伸长方向在一条直线上,才能保证弹簧与外壳间无摩擦(听不见摩擦声为准)。根据二力平衡的条件,这时弹簧测力计的示数才是被测力的大小。

5. 使用过程中,弹簧、指针、拉杆都不能与弹簧测力计的刻度板和刻度板末端的限位卡发生摩擦,这样可以减小测量过程中产生的误差。若指针与限位卡相互接触,说明被测力超过了测力计的测量范围,容易损坏测力计。

6. 读数时,视线应与指针所指刻度线相平,先读出大格的读数,再读小格的读数。读数前先弄清每大格每小格表示力的大小及弹簧测力计最小分度值,读数时尽量加快读数时间,避免弹簧因测量时间过长,导致弹簧疲劳,无法完全恢复,以后的测量不准确。

7. 使用弹簧测力计时不允许把测力计倒挂着使用,即将物体挂在拉环上,手提挂钩。这样做会使弹簧测力计自身的重力加到读数上,使测量结果比真实值大,产生较大的误差。

例1 现有一个大容器和足够的水,两块三角板,一把刻度尺,一个弹簧测力计,一个金属圆柱体,细线若干。请你说出利用上述器材测定金属圆柱体密度的两种不同方法,要求写出用什么仪器和测什么物理量,并用符号表示测出的量,写出圆柱体密度的最后计算式。

解析 (方法一)用弹簧测力计测出圆柱体的重量G,用三角板、刻度尺测出圆柱体的高h、直径d。则圆柱体密度ρ==。

(方法二)用弹簧测力计测出圆柱体的重量G,用细线系着圆柱体挂在弹簧测力计下面,让圆柱体浸没在水中,读出弹簧测力计示数F。由F浮=G-F=ρ水gV排,V排=V物,则圆柱体密度ρ==。

例2 小明弯曲手中的钢锯片,感觉到弹力大小与弯曲程度有关,同时他猜想弹力大小可能还跟钢锯片的长度有关。于是,他和同学合作进行了下面的实验:将钢锯片夹在厚书内,伸出的长度(简称为长度)用L表示,钢锯片形变量(弯曲程度)用X表示,钢锯片的弹力用F表示,实验数据如下表:

(1)由______两次实验数据分析可知,钢锯片在形变量X一定时,弹力F随长度L的增加而_________(选填“增大”或“减小”)。

(2)由第3~7次的实验数据可知,钢锯片在长度L一定时,弹力F跟形变量X成______比。

(3)请用表中钢锯片长度L为25 cm时的数据,在坐标纸上画出弹力F与形变量X关系的图象,分析图象还可得到什么结论。

解析 这是由弹簧测力计变化而来的一道题目,主要考查了对控制变量法的把握,虽然里面有很多新名词,但不会影响同学们解题。

(1)由题设知道,当形变量X一定时,表格中有三组实验序号可供选择:1和2、1和3或2和3。无论是哪种,弹力F都是随长度L的增加而减小的。这一问有一定的开放性。

(2)从表格中可以看到,从第3~7次的实验数据可知,当钢锯片在长度L一定时,弹力F随着形变量X的增加而成线性增大,即两者成正比。

(3)利用描点作图法,可以作出弹力F和形变量X关系的图象,从图象里面可以看到,当形变量X大于5时,就不再是直线了,即当钢锯片超过一定的形变量,弹力F和形变量X就不再满足线性关系了。